車載INS/GPS組合導航系統設計

朱一鳴 上海交通大學電子信息與電氣工程學院 200240

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車載INS/GPS組合導航系統設計

朱一鳴 上海交通大學電子信息與電氣工程學院 200240

【文章摘要】

GPS（Global Position system）在信號接收良好的情況下，可以幫助車輛進行準確的定位，但是遇到環境上有遮蔽導致GPS信號難以接受，則會出現難以定位，實時位置得不到更新。INS（integrated navigation system）是屬于自主導航，它由陀螺儀和加速度計兩種傳感器構成，可以通過數學平臺解算得出當前的位置，但是它會隨著時間的積累而導致誤差越來越大。本文提出了一種INS/GPS組合導航的設計，并且使用卡爾曼濾波算法進行濾波，通過matlab進行軌跡發生仿真來驗證算法上的誤差效果。

【關鍵詞】

INS；組合導航

0　引言

INS/GPS即慣性導航系統（Interial Navigation System，INS）和全球衛星定位系統（Global Positioning）組成的組合導航系統。

全球定位系統的具有以下四個優點：1.全天候；2.全球覆蓋；3.維定位且精度高；4.速度快且效率高；缺點是：它得接收到衛星信號才能提供準確連續的定位信息。全球定位系統在通常情況下都是導航定位的最佳選擇，但是當收到外部環境影響比如建筑物密集地，或者是森林覆蓋區，這些地方會出現信號難以接收的問題，這樣就會導致難以實時更新位置信息。

圖4-1

慣性導航系統有以下幾個優點：1.可以工作在水下，空中，還有地面；2.不依賴于外部信息。缺點是：導航信息通過積分得到，所以誤差隨著時間增加而累積。

1　組合導航系統設計

車輛導航對于精度要求不是很高，所以可以采用松組合的方式。INS和GPS各自獨立工作，濾波器把這兩個的位置和速度信息進行融合得到最優估計結果，再反饋給INS對它進行修正，優點是工作比較簡單容易實現。

2　捷聯式慣性導航基本方程

慣導系統中，加速度計測量的是載體的比力 f 和地球的引力加速度矢量之和，若用R表示載體在慣性空間中的位置矢量，則有：

式中下標i標是相對慣性空間取微分，為了研究載體相對于地球的運動速度V 與加速度計輸出信號之間的關系，需要將（2-1）式變形，經過一系列推導后，可得：

地球自轉角速度在地理坐標系投影：

其中Ω為地球自轉角速率。

經緯度更新方程為：

3　卡爾曼濾波

卡爾曼濾波由三個部分組成，預測、實測、修正。依據系統量測值消除隨機噪聲，恢復系統的本來狀態。通過信號和狀態空間模型利用估計值和觀測值來更新下一個估計值，從而達到過濾噪聲的目的。

其中K是表示時刻，X（k）是狀態矢量，Z（k）是觀測矢量，狀態轉移矩陣向量，U（k）對系統的控制量，系統控制矩陣向量，W（k）系統噪聲向量，H（k）觀測矩陣向量，N（k）觀測噪聲向量。

狀態估計計算方程：

左式是狀態估計值，K（k）是濾波增益陣，H（k）是觀測矩陣向量，Z（k）是觀測矢量。

4　仿真結果和分析

通過軌跡發生器輸入進行仿真，由圖4-1的結果可以看到組合導航系統的速度和位置誤差都很小，而且較為穩定。仿真數據證明INS/GPS組合導航可以提高定位精度。

【參考文獻】

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